コストを使用したフレキシブル基板上の銅レーザーパターニング

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21149 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

私たちは、安価な 3D プリンタに取り付けられた 405 nm レーザー モジュールを使用して、薄いポリイミド基板 (PI 厚さ: 12.5 ～ 50 μm) 上に銅 (Cu) をコスト効率よく直接レーザー パターニングする方法を研究しました。 レーザーの焦点距離は、所定のプロセス条件下でパターン化されたCuの欠陥とPIの表面損傷を減らすために意図的に制御されました。 さまざまな焦点距離で適切な焦点距離を調べました。 実際の焦点距離と比較して、短い焦点距離 (SFL) と長い焦点距離 (LFL) で、それぞれ - 2.4 mm と 3 mm の焦点距離が見つかりました。 これにより、線欠陥のないきれいなCu線パターンが得られました。 興味深いことに、SFL の場合には LFL とは異なる Cu 成長パターンがあり、レーザー入射角の小さな違いが Cu 前駆体の焼結に影響を与える可能性があることを示しています。 銅正方形パターンは、3 回または 4 回のレーザー スキャン後の LFL では 70 μΩ・cm と低い抵抗率を示しましたが、SFL では 1 回のレーザー スキャンで 48 μΩ・cm 未満の抵抗率を示しました。 PI 上の Cu 前駆体の残留物は、流水と通常の界面活性剤で簡単に除去できました。 しかしながら、洗浄後、パターンの抵抗率は減少した。 スキャンギャップの中で、70μmのスキャンギャップで形成されたCu正方形パターンはシート抵抗が最も低く、洗浄後の抵抗変化は約4～4.4Ω/ϒで最も少なかった。 この結果は、コーティングされた Cu 前駆体が適切なプロセス条件下で十分に焼結された場合、パターン化された Cu の接着が改善される可能性があることを意味します。 この方法をバイオセンサーなどのバイオエレクトロニクスに応用するために、腕の皮膚に取り付けたPIのCuパターンにLEDを接続すると、電源接続中に基板PIが曲がった場合でも正常に動作しました。

敏感でフレキシブルな基板上の小型ポータブルデバイスには、真空蒸着、フォトレジスト、有害な化学エッチングを必要とするリソグラフィプロセスではなく、直接パターニングプロセスが必要です1、2、3、4、5、6、7。 したがって、銀 (Ag) や金 (Au) などの金属ナノ粒子インクを使用した直接パターニング プロセスが広く研究されています 8、9、10。 高価な貴金属の代わりに、銅 (Cu) ベースの複合材料が、その優れた熱的および電気的特性と費用対効果の高さから注目を集めています 11,12,13。 ただし、貴金属（Au、1.52 V、Ag、0.799 V）と比較して酸化ポテンシャルエネルギー（0.34 V）が低いため、空気中で酸化されやすいという欠点があります11。 したがって、熱焼結を使用して周囲環境で Cu 前駆体を還元することはできません。 最近、代替の熱焼結法として多くの試みが報告されている。 効果的な手法の 1 つは、保護コーティングを適用する 14,15 か、コアシェル構造に薄い貴金属を使用する 16,17 ことによって、Cu-NP を保護および安定化させることです。 Cu 前駆体は高出力フラッシュ ランプを使用して焼結することもでき、大規模な生産ラインに簡単に統合できます 18、19、20、21。 この方法では、Cu 前駆体を高温に加熱して数ミリ秒以内に完全な焼結を行うことができ、空気中での Cu の酸化やポリマーベースの基板への影響を最小限に抑えることができるため、この光子焼結は大面積プリンテッド エレクトロニクスにとって魅力的なオプションです。 それにもかかわらず、フラッシュ ランプは強力で広域スペクトルの光を放射するため、ポリマーベースの基板の部分的な変形を引き起こす可能性があります。 ただし、このリスクを軽減するためにフラッシュ強度を下げると、焼結の品質が低下します。 さらに、この方法は直接パターニングする方法ではなく、Cu焼結の前後に追加のパターニングプロセスが必要です。

もう 1 つの有望な技術は、直接レーザー焼結です 22、23、24、25、26、27。 集束中、集束されたビームのエネルギーは前駆体によって吸収され、局所的な一時的な加熱プロセスが誘発され、その結果急速な焼結が生じます。 その結果、光学系と金属前駆体によって解像度が制限される金属パターンを実現できます。 高速スキャンにより、幅数マイクロメートルの高解像度の金属パターンを提供できます。 さらに、周囲条件では、焼結時間が十分に短い場合、Cu の酸化は防止されます。 未焼結のインクは洗浄により簡単に除去され、パターン形成プロセスが完了します。 ただし、このプロセスでは高エネルギー密度の集束レーザーを使用するため、ポリマーベースの基板に損傷を与える可能性があります。